LẬP mô HÌNH và KHẢO sát đặc TÍNH ĐỘNG lực học THẲNG ĐỨNG XE bán MOÓC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - VŨ THÀNH NIÊM LẬP MÔ HÌNH VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC THẲNG ĐỨNG XE BÁN MOÓC LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG Hà Nội – Năm 2012 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác! Hà Nội, ngày tháng năm 2012 Tác giả Vũ Thành Niêm MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ……………………………………………………………… DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT …………………………………… DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ……………………………………………….3 LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………………….4 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ………………………… 1.1 Những vấn đề chung ………………………………………………………………9 1.2 Ảnh hưởng dao động ô tô …………………………………………………… 1.3 Nguồn gây dao động …………………………………………………………… 10 1.4 Các tiêu đánh giá dao động ………………………………………………… 11 1.4.1 Chỉ tiêu độ êm dịu ……………………………………………………….12 1.4.2 Chỉ tiêu tải trọng động ……………………………………………… .14 1.4.3 Chỉ tiêu không gian bố trí treo ………………………………………… 15 1.5 Phân tích chọn đối tượng, phương pháp nghiên cứu …………………………… 16 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu ……………………………………………………….16 1.5.2 Phương pháp nghiên cứu ……………………………………… …………16 1.6 Tính cấp thiết đề tài ………………………………………………………….17 Kết luận chương ……………………………………………………………………18 CHƯƠNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ LẬP HỆ PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC THẲNG ĐỨNG XE BÁN MOÓC …………… 19 2.1 Phương pháp lập hệ phương trình …………………………………………… 19 2.2 Cấu trúc xe bán mooc …………………………………………………………….20 2.3 Xây dựng mô hình ……………………………………………………………… 21 2.3.1 Thiết lập phương trình động lực học xe bán mooc ……………… 21 2.3.2 Các phương trình liên kết ……………………………………………… .27 Kết luận chương ………………………………………………………………… 31 CHƯƠNG GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH BẰNG MATLAB SIMULINK VÀ CÁC PHƯƠNG ÁN KHẢO SÁT …………………………………… 31 3.1 Xây dựng chương trình mô Simulink ……………………………….32 3.2 Số liệu đầu vào ………………………………………………………………… 32 3.3 Tính toán điều kiện đầu …………………………………………………… 35 3.3.1 Xây dựng hàm kích động ………………………………………………… 35 3.3.2 Xác định lực cản không khí ban đầu Fw0x ……………………………… 36 3.3.3 Tính phản lực tĩnh bánh xe FZi , st ……………………………… 36 3.3.4 Xác định lực dọc ban đầu Fx0i ……………………………… .36 3.3.5 Xác định hệ số trượt ban đầu s0i ……………………………… 37 3.3.6 Xác định mô men ban đầu M0i ………………………… 37 3.4 Các phương án khảo sát………………………………………………………… 37 Kết luận chương ……………………… ………………………………………… 38 CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ …………………………….39 4.1 Kiểm chứng mô hình …………………………………………….……………….39 4.2 Khảo sát ảnh hưởng biên dạng mặt đường tới đặc tính động lực học thẳng đứng xe bán moóc ……………………………………………………………….44 4.3 Khảo sát ảnh hưởng lực quán tính phanh tới đặc tính động lực học thẳng đứng xe bán moóc ……………………………………………………………….58 KẾT LUẬN ………………………………………………………………………… 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………… 96 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Giải nghĩa z1 , z& , && z1 m, m/s, m/s2 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo phương thẳng đứng khối lượng treo đầu kéo z11 , z& 11 m, m/s Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng cầu z23 , z& 23 m, m/s zk , z& k1 m, m/s z2 , z& , && z2 m, m/s, m/s2 Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng cầu tương đương Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng chốt kéo (đầu kéo) Chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo phương thẳng đứng khối lượng treo rơ mooc z24 , z& 24 m, m/s Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng cầu z25 , z& 25 m, m/s Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng cầu zk , z& k m, m/s x1 , x& , && x1 x2 , x& , && x2 m, m/s, m/s2 m, m/s, m/s2 ϕ1 ,ϕ rad ξi , ξ&i , ξ&&i m, m/s, m/s2 ϕ Ai rad Góc lắc cầu i ϕ A 23 rad Góc lắc cầu tương ϕ A 45 rad Góc lắc cân cầu 4, h0i m Biên độ mặt đường cầu i h1 m Chiều cao từ trọng tâm đầu kéo đến tâm bánh xe h2 m Chiều cao từ trọng tâm rơ mooc đến tâm bánh xe Chuyển vị, vận tốc theo phương thẳng đứng chốt kéo (rơ mooc) Chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo phương dọc khối lượng treo đầu kéo Chuyển vị, vận tốc, gia tốc theo phương dọc khối lượng treo rơ mooc Góc lắc đầu kéo, rơ mooc Chuyển vị, vận tốc, gia tốc khối lượng không treo cầu i (i = ÷ 5) hk1 m Chiều cao từ trọng tâm đầu kéo đến chốt kéo hk2 m Chiều cao từ trọng tâm rơ mooc đến chốt kéo l1 m Khoảng cách từ trọng tâm đầu kéo đến cầu l2 m l3 m l4 m 2a m Khoảng cách cầu 2b m Khoảng cách cầu 2c m Chiều dài cân 4, m1 kg Khối lượng treo đầu kéo m2 kg Khối lượng treo rơ mooc m23 kg Khối lượng cầu tương đương m45 kg Khối lượng cân cầu 4, mAi kg Khối lượng không treo cầu i Jy1 kgm2 Mô men quán tính trục y khối lượng treo đầu kéo Jy2 kgm2 Mô men quán tính trục y khối lượng treo rơ mooc JyA23 kgm2 Mô men quán tính trục y cầu tương đương JyA45 kgm2 Mô men quán tính trục y cân cầu 4, JyAi kgm2 Mô men quán tính trục y cầu i C1 N/m Độ cứng nhíp cầu Khoảng cách từ trọng tâm đầu kéo đến trung điểm cầu cân 2, Khoảng cách từ trọng tâm rơ mooc đến trung điểm cầu cân 2, Khoảng cách từ trọng tâm rơ mooc đến cân cầu 4, C23 N/m Độ cứng nhíp cầu cân 2, C4 N/m Độ cứng nhíp cầu C5 N/m Độ cứng nhíp cầu K1 Ns/m Hệ số cản hệ thống treo cầu K23 Ns/m Hệ số cản hệ thống treo cầu cân 2, K4 Ns/m Hệ số cản hệ thống treo cầu K5 Ns/m Hệ số cản hệ thống treo cầu CLi N/m Độ cứng hướng kinh lốp cầu i Ckx, Ckz N/m Độ cứng khớp nối theo phương x, z FCi N Lực đàn hồi hệ thống treo cầu i FKi N Lực cản hệ thống treo cầu i FCLi N Lực đàn hồi lốp i Fkx N Phản lực khớp theo phương x Fkz N Phản lực khớp theo phương z Fwx N Lực cản không khí A m2 Diện tích cản diện c Hệ số khí động ρ kg/m3 v m/s Fxi N Mật độ không khí Vận tốc xe Lực dọc lốp i Fxi′ N Lực dọc khung tác dụng lên cầu i FZi N Phản lực đường tác dụng lên bánh i Fzi,st N Tải trọng tĩnh bánh xe thứ i Mi Nm fi Mô men cấp cho bánh i Hệ số cản lăn bánh xe i r0i m Bán kính tự lốp i fti m Độ võng tĩnh lốp i si Hệ số trượt bánh i DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1: Sự phụ thuộc gia tốc bình phương trung bình theo tần số …………… 13 Hình 1.2: Sơ đồ đặc tính đàn hồi 16 Hình 2.1: Các thông số kích thước xe bán mooc 21 Hình 2.2: Các tọa độ suy rộng mô hình xe bán mooc .22 Hình 3: Mô hình động lực học đầu kéo 23 Hình 4: Mô hình động lực học cầu 1, 2, đầu kéo .23 Hình 5: Mô hình động lực học cầu tương đương 2, .24 Hình 6: Mô hình động lực học bán mooc 25 Hình 7: Mô hình động lực học cầu cầu bán mooc 25 Hình 8: Mô hình động lực học cân cầu 26 Hình 2.9: Phản lực Fz đường tác dụng lên bán xe 28 Hình 2.10: Mô hình lốp 29 Hình 2.11: Mô men phanh 31 Hình 3.1-3.6: Kiểm chứng mô hình 38-42 Hình 3.7-3.24: Khảo sát ảnh hưởng biên dạng mặt đường tới đặc tính động lực học thẳng đứng xe bán moóc 45-56 Hình 3.25-3.88: Khảo sát ảnh hưởng lực quán tính phanh tới đặc tính động lực học thẳng đứng xe bán moóc 59-93 LỜI NÓI ĐẦU Ngày mà ô tô trở thành phương tiện lại ngày phổ biến, tốc độ ô tô ngày tăng cao yêu cầu độ êm dịu chuyển động ngày cao Thêm vào cần có đánh giá mức ảnh hưởng dao động ô tô người môi trường Ở Việt Nam, ô tô tải vận chuyển hàng hóa ngày tăng nên việc nghiên cứu dao động đoàn xe quan tâm nhằm xây dựng bổ sung tiêu chuẩn kỹ thuật, tối ưu hóa cấu trúc thiết kế Ngoài yêu cầu độ êm dịu chuyển động, ngày người ta buộc phải ý đến tiêu chí khác như: an toàn hàng hóa, ảnh hưởng tải trọng động bánh xe đến đường (áp lực đường), cuối mức độ giảm tải trọng dẫn đến làm giảm khả truyền lực tăng tốc phanh Trước nhu cầu tác giả lựa chon đề tài: “Lập mô hình khảo sát đặc tính động lực học thẳng đứng xe bán mooc” Từ mô hình có sở để nghiên cứu ảnh hưởng dao động đến người, môi trường hàng hóa, đưa tiêu đánh giá Phạm vi nghiên cứu động lực học thẳng đứng đoàn xe rộng nên khuôn khổ đề tài tập trung vào nội dung sau: - Xây dựng mô hình tính toán cho xe bán mooc - Thiết lập phương trình toán học mô tả dao động xe bán mooc - Giải hệ phương trình thành lập máy tính - Khảo sát trạng thái dao động mô kết máy tính, xem xét thay đổi thông số nguồn gây dao động tác động bên ngoại ảnh hưởng đến dao động xe bán mooc Tác giả xin trân trọng cảm ơn đến thầy môn Ô tô xe chuyên dụng – Viện khí động lực – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đặc biệt gửi lời cảm chân thành tới PGS.TS.Võ Văn Hường – Thầy giáo hướng dẫn đề tài – tận tình giúp đỡ, 14 x 10 Phan luc Fz (N) 12 10 Bánh Bánh 2 Thoi gian t(s) Bánh Bánh Bánh Hình 3.67: Đồ thị phản lực Fz x 10 Luc doc Fx (N) -2 -4 -6 -8 -10 Bánh 1 Bánh 2 Thoi gian t(s) Bánh Bánh Hình 3.68: Đồ thị lực dọc Fx 82 Bánh x 10 Phan luc Fkz (N) 0.5 -0.5 -1 Thoi gian t(s) 5 Hình 3.69: Đồ thị phản lực Fkz x 10 Phan luc Fkx (N) -2 -4 -6 -8 -10 -12 Thoi gian t(s) Hình 3.70: Đồ thị phản lực Fkx 83 0.4 0.2 He so truot -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 Bánh Bánh 2 Thoi gian t(s) Bánh Bánh Bánh Hình 3.71: Đồ thị hệ số trượt s x 10 Momen phanh (Nm) -1 -2 -3 -4 Bánh 1 Bánh 2 Thoi gian t(s) Bánh Bánh Hình 3.72: Đồ thị mô men tác động 84 Bánh * Nhận xét đánh giá phương án phương án Khi rơ mooc phanh chậm ta thấy mô men phanh chậm dần giảm chậm Khi đầu kéo bị phanh lực dọc Fx123 đầu kéo giảm nhanh đến rơ mooc bắt đầu phanh Fx123 bắt đầu tăng lên ổn định Nguyên nhân từ phương trình cân lực kéo Lực kéo không đổi (xe chuyển động trước phanh) mà lực phanh tăng lên (do phanh rơ mooc) nên Fx123 phải tăng lên để cân lại Nên ta thấy đồ thị có điểm nằm điểm ổn định Tương tự hình dạng đồ thị Fz Fz1 tăng lên theo giải thích phần Fz23 giảm đến rơ mooc bị phanh tăng lên Nguyên nhân lúc cầu 2,3 chịu ảnh hưởng lắc dọc rơ mooc Khi phanh rơ mooc có góc lắc lớn sinh thành phần phản lực Fkz làm tăng Fz23 Khi xe không phanh thời điểm làm cho thành phần lực thay đổi lớn biên độ tần số làm cho gia tốc theo phương thẳng đứng thay đổi lớn Điều không tốt mặt độ êm dịu chuyển động Mặt khác mô men phanh lớn làm cho thời điểm trượt bánh xe cách xa (tại t = 1,5s bánh xe 2,3 bị trượt, t > 2s bánh 4,5 bị trượt) Điều làm tăng phản lực Fkx gây ổn định cho xe 85 * Phương án 7: Phanh non với mô men phanh M = -20.000 (Nm) Các bánh xe phanh cường độ tác động khác thời điểm Đầu kéo phanh trước 0,5s Vận tốc ban đầu Gia toc thang dung dau keo, romoc (m/s2) v0 = 20 m/s2 Hàm kích động h = h0 sin(2π ft ) Lấy h0 = 0,001 (m), f = Hz 15 10 -5 -10 -15 -20 Thoi gian t(s) Đầu kéo Rơ mooc Hình 3.73: Đồ thị gia tốc thẳng đứng đầu kéo, rơ mooc Gia toc doc dau keo, romoc (m/s2) -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 Thoi gian t(s) Đầu kéo Rơ mooc Hình 3.74: Đồ thị gia tốc dọc đầu kéo, rơ mooc 86 12 x 10 Phan luc Fz (N) 10 Bánh Bánh Thoi gian t(s) Bánh Bánh Bánh Hình 3.75: Đồ thị phản lực Fz x 10 Luc doc Fx (N) -1 -2 -3 -4 -5 -6 Bánh 1 Bánh Thoi gian t(s) Bánh Bánh Hình 3.76: Đồ thị lực dọc Fx 87 Bánh x 10 Phan luc Fkz (N) 0.5 -0.5 -1 Thoi gian t(s) 6 Hình 3.77: Đồ thị phản lực Fkz x 10 Phan luc Fkx (N) -2 -4 -6 -8 -10 Thoi gian t(s) Hình 3.78: Đồ thị phản lực Fkx 88 0.4 0.2 He so truot -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 Bánh Bánh Thoi gian t(s) Bánh Bánh Bánh Hình 3.79: Đồ thị hệ số trượt s x 10 Momen phanh (Nm) -1 -2 -3 -4 Bánh 1 Bánh 2 Thoi gian t(s) Bánh Bánh Hình 3.80: Đồ thị mô men tác động 89 Bánh * Phương án 8: Phanh già với mô men phanh M = -40.000 (Nm) Các bánh xe phanh cường độ tác động khác thời điểm Đầu kéo phanh trước 0,5s Vận tốc ban đầu Gia toc thang dung dau keo, romoc (m/s2) v0 = 20 m/s2 Hàm kích động h = h0 sin(2π ft ) Lấy h0 = 0,001 (m), f = Hz 15 10 -5 -10 -15 -20 Thoi gian t(s) Đầu kéo Rơ mooc Hình 3.81: Đồ thị gia tốc thẳng đứng đầu kéo, rơ mooc Gia toc doc dau keo, romoc (m/s2) -2 -4 -6 -8 -10 Thoi gian t(s) Đầu kéo Rơ mooc Hình 3.82: Đồ thị gia tốc dọc đầu kéo, rơ mooc 90 14 x 10 12 Phan luc Fz (N) 10 0 Bánh Bánh 2 Thoi gian t(s) Bánh Bánh Bánh Hình 3.83: Đồ thị phản lực Fz x 10 Luc doc Fx (N) -2 -4 -6 -8 -10 Bánh 1 Bánh 2 Thoi gian t(s) Bánh Bánh Hình 3.84: Đồ thị lực dọc Fx 91 Bánh x 10 Phan luc Fkz (N) 0.5 -0.5 -1 Thoi gian t(s) 5 Hình 3.85: Đồ thị phản lực Fkz x 10 Phan luc Fkx (N) -2 -4 -6 -8 -10 -12 Thoi gian t(s) Hình 3.86: Đồ thị phản lực Fkx 92 0.4 0.2 He so truot -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 Bánh Bánh 2 Thoi gian t(s) Bánh Bánh Bánh Hình 3.87: Đồ thị hệ số trượt s x 10 Momen phanh (Nm) -1 -2 -3 -4 Bánh 1 Bánh 2 Thoi gian t(s) Bánh Bánh Hình 3.88: Đồ thị mô men tác động 93 Bánh * Nhận xét đánh giá phương án phương án Phương án có nhận xét giống phương án Phương án xảy tượng trượt bánh Phương án (phanh già) bánh 2,3 trượt trước, bánh 4,5 trượt sau Khi phanh thời điểm bánh xe 2,3 dễ bị trượt trước Trong phương án (rơ mooc phanh sau đầu kéo 0,5 s) làm cho thời gian trượt bánh 2,3 so với bánh 4,5 cách xa Điều làm ổn định đầu kéo NHẬN XÉT CHUNG - Khi phanh tần số kích động cao dễ gây trượt bánh xe số mô men phanh nhỏ Các thành phần lực dao động với biên độ tần số lớn - Khi phanh già xảy tượng trượt lết bánh xe Bánh số 2, bị trượt lết trước Để khắc phục điều cần xe cần thiết kế, thử nghiệm lại vị trí phân bố tải trọng đầu kéo lắp hệ thống điều khiển mô men phanh cho bánh - Trong trường hợp phanh non phanh già ta nhận thấy Fz1 tăng bánh không bị trượt lết Điều tốt cho việc điều khiển dẫn hướng Fz23, Fz45 giảm - Gia tốc theo phương thẳng đứng tăng lên từ thời điểm bắt đầu phanh - Khi phanh đầu kéo rơ mooc khác thời điểm (rơ mooc phanh trễ 0,5 s) lực Fx Fz, gia tốc theo phương thẳng đứng biến đổi với biên độ lớn 94 KẾT LUẬN Thông qua việc nghiên cứu đặc tính động lực học thẳng đứng xe bán mooc bước đầu luận văn khảo sát trạng thái hoạt động xe với mô hình vết có quy luật gần giống với thực tế Đề tài xây dựng phương án khảo sát nhằm cụ thể hóa mục tiêu đặt Đánh giá ảnh hưởng số biên dạng đường tới đặc tính động lực học thẳng đứng xe bán mooc Một đóng góp đề tài khảo sát ảnh hưởng lực quán tính phanh tới đặc tính động lực học thẳng đứng xe Trong trình khảo sát đề tài xem xét ảnh hưởng yếu tố khớp nối đầu kéo bán moóc Trong khuôn khổ giới hạn, đề tài thực hiên khảo sát mô hình động lực học thẳng đứng mô hình động lực học vết xe bán mooc với số giả thiết quan trọng Tuy nhiên trường hợp khảo sát chưa đủ để đánh giá cách toàn diện Đề tài chưa khảo sát xảy tượng tách bánh bánh xe 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Georg Rill (2005), Vehicle Dynamics, Lecture Notes [2] T Gillespie (1992), Fundamentals of Vehicle Dynamics, SAE [3] Võ Văn Hường Bài giảng lý thuyết ô tô (tài liệu viết tay) [4] Võ Văn Hường (2007), Bài giảng xe chuyên dung, Hà Nội [5] Trịnh Minh Hoàng (2002), Luận văn thạc sỹ: Khảo sát dao động xe tải cầu kích động ngẫu nhiên mặt đường, Hà Nội [6] Võ Văn Hường (2004), Luận án tiến sỹ: Nghiên cứu hoàn thiện mô hình khảo sát dao động ô tô tải nhiều cầu, Hà Nội [7] Võ Văn Hường (2010), Bài giảng động lực học ô tô, Hà Nội [8] Nguyễn Văn Khang (2001), Dao động kỹ thuật, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [9].Nghuyễn Phùng Quang (2005), Matlab & Simulink, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 96 ... 23 Hình 4: Mô hình động lực học cầu 1, 2, đầu kéo .23 Hình 5: Mô hình động lực học cầu tương đương 2, .24 Hình 6: Mô hình động lực học bán mooc 25 Hình 7: Mô hình động lực học. .. 31 Hình 3.1-3.6: Kiểm chứng mô hình 38-42 Hình 3.7-3.24: Khảo sát ảnh hưởng biên dạng mặt đường tới đặc tính động lực học thẳng đứng xe bán moóc 45-56 Hình 3.25-3.88: Khảo sát. .. tài: Lập mô hình khảo sát đặc tính động lực học thẳng đứng xe bán mooc” Từ mô hình có sở để nghiên cứu ảnh hưởng dao động đến người, môi trường hàng hóa, đưa tiêu đánh giá Phạm vi nghiên cứu động